史上最牛：一款高性能低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)詳解

　　電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　越來(lái)越多的應(yīng)用要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須在極高環(huán)境溫度下可靠地工作，例如井下油氣鉆探、航空和汽車應(yīng)用等。圖1所示電路是一個(gè)16位、600 kSPS逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)系統(tǒng)，其所用器件的額定溫度、特性測(cè)試溫度和性能保證溫度為175°C.很多此類惡劣環(huán)境應(yīng)用都采用電池供電，因此該信號(hào)鏈針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)，同時(shí)仍然保持高性能。

　　AD7981 ADC需要2.4 V至5.1 V的外部基準(zhǔn)電壓源，本應(yīng)用選擇的基準(zhǔn)電壓源為微功耗2.5 V精密基準(zhǔn)源ADR225，后者也通過(guò)了高溫工作認(rèn)證，并具有非常低的靜態(tài)電流(210°C時(shí)最大值為60μA)。

　　本電路使用低功耗(600 kSPS時(shí)為4.65μA)、耐高溫PulSAR ADC AD7981，它直接從耐高溫、低功耗運(yùn)算放大器AD8634驅(qū)動(dòng)。

　　本設(shè)計(jì)中的所有IC封裝都是專門針對(duì)高溫環(huán)境而設(shè)計(jì)，包括單金屬線焊。此外，本設(shè)計(jì)說(shuō)明了無(wú)源元件、印刷電路板(PCB)材料和建構(gòu)技術(shù)的選擇，以使其能在極端溫度下工作，并且提供了完整的設(shè)計(jì)支持包，包括物料清單、原理圖、裝配和布局文件。

　　圖1.耐高溫?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)(原理示意圖：未顯示去耦和所有連接)

　　電路描述

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　本電路的核心是16位、低功耗、單電源ADC AD7981，它采用逐次逼近架構(gòu)，最高支持600 kSPS的采樣速率。如圖1所示，AD7981使用兩個(gè)電源引腳：內(nèi)核電源(VDD)和數(shù)字輸入/輸出接口電源(VIO)。VIO引腳可以與1.8 V至5.0 V的任何邏輯直接接口。VDD和VIO引腳也可以連在一起以節(jié)省系統(tǒng)所需的電源數(shù)量，并且它們與電源時(shí)序無(wú)關(guān)。

　　在兩次轉(zhuǎn)換之間，AD7981自動(dòng)關(guān)斷以節(jié)省功耗。因此，功耗與采樣速率成線性比例關(guān)系，使得該ADC對(duì)高低采樣速率(甚至低至數(shù)Hz)均適合，并且可實(shí)現(xiàn)非常低的功耗，支持電池供電系統(tǒng)。此外，可以使用過(guò)采樣技術(shù)來(lái)提高低速信號(hào)的有效分辨率。

　　AD7981有一個(gè)偽差分模擬輸入結(jié)構(gòu)，可對(duì)IN+與IN?輸入之間的真差分信號(hào)進(jìn)行采樣，并抑制這兩個(gè)輸入共有的信號(hào)。IN+輸入支持0 V至VREF的單極性、單端輸入信號(hào)，IN?輸入的范圍受限，為GND至100 mV.AD7981的偽差分輸入簡(jiǎn)化了ADC驅(qū)動(dòng)器要求并降低了功耗。AD7981采用10引腳MSOP封裝，額定溫度為175°C.圖2給出了連接示意圖。

　　圖2. AD7981連接圖

　　ADC驅(qū)動(dòng)器

　　AD7981的輸入可直接從低阻抗信號(hào)源驅(qū)動(dòng);然而，高源阻抗會(huì)顯著降低性能，尤其是總諧波失真(THD)。因此，推薦使用ADC驅(qū)動(dòng)器或運(yùn)算放大器(如AD8634)來(lái)驅(qū)動(dòng)AD7981輸入，如圖3所示。在采集時(shí)間開始時(shí)，開關(guān)閉合，容性DAC在ADC輸入端注入一個(gè)電壓毛刺(反沖)。ADC驅(qū)動(dòng)器幫助此反沖穩(wěn)定下來(lái)，并將其與信號(hào)源相隔離。

　　低功耗(1.3 mA/放大器)雙通道精密運(yùn)算放大器AD8634適合此任務(wù)，因?yàn)槠涑錾闹绷骱徒涣魈匦詫?duì)傳感器信號(hào)調(diào)理和信號(hào)鏈的其他部分非常有利。雖然AD8634具有軌到軌輸出，但輸入要求從正供電軌到負(fù)供電軌具有300 mV裕量。

　　此裕量要求使得負(fù)電源成為必要，所選負(fù)電源為?2.5 V.

　　AD8634提供額定溫度為175°C的8引腳SOIC封裝和額定溫度為210°C的8引腳FLATPACK封裝。

　　圖3. SAR ADC前端放大器和RC濾波器

　　ADC驅(qū)動(dòng)器與AD7981之間的RC濾波器衰減AD7981輸入端注入的反沖，并限制進(jìn)入此輸入端的噪聲帶寬。不過(guò)，過(guò)大的限帶可能會(huì)增加建立時(shí)間和失真。最佳RC值的計(jì)算主要基于輸入頻率和吞吐速率。對(duì)于所示實(shí)例，R = 85Ω且C = 2.7 nF是最佳值，產(chǎn)生693 kHz的截止頻率。詳細(xì)計(jì)算參見Analog Dialogue文章：精密SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設(shè)計(jì)。

　　本電路中，ADC驅(qū)動(dòng)器為單位增益緩沖配置。增加ADC驅(qū)動(dòng)器增益會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器帶寬，延長(zhǎng)建立時(shí)間。這種情況下可能需要降低ADC吞吐速率，或者在增益級(jí)之后再使用一個(gè)緩沖器作為驅(qū)動(dòng)器。

　　基準(zhǔn)電壓源

　　ADR225 2.5 V基準(zhǔn)電壓源在時(shí)210°C僅消耗最大60μA的靜態(tài)電流，并具有典型值40 ppm/°C的超低漂移特性，因而非常適合用于該低功耗數(shù)據(jù)采集電路。ADR225的初始精度為±0.4%，可在3.3 V至16 V的寬電源范圍內(nèi)工作。

　　像其他SAR ADC一樣，AD7981的基準(zhǔn)電壓輸入具有動(dòng)態(tài)輸入阻抗，因此必須利用低阻抗源驅(qū)動(dòng)，REF引腳與GND之間應(yīng)有效去耦，如圖4所示。除了ADC驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，AD8634同樣適合用作基準(zhǔn)電壓緩沖器。

　　使用基準(zhǔn)電壓緩沖器的另一個(gè)好處是，基準(zhǔn)電壓輸出端噪聲可通過(guò)增加一個(gè)低通RC濾波器來(lái)進(jìn)一步降低。在該電路中，49.9Ω電阻和47μF電容提供大約67 Hz的截止頻率。

　　圖4. SAR ADC基準(zhǔn)電壓緩沖器和RC濾波器

　　轉(zhuǎn)換期間，AD7981基準(zhǔn)電壓輸入端可能出現(xiàn)高達(dá)2.5 mA的電流尖峰。在盡可能靠近基準(zhǔn)電壓輸入端的地方放置一個(gè)大容值儲(chǔ)能電容，以便提供該電流并使基準(zhǔn)電壓輸入端噪聲保持較低水平。通常使用低ESR、10μF或更大的陶瓷電容，但對(duì)于高溫應(yīng)用，沒(méi)有陶瓷電容可用。因此，選擇一個(gè)低ESR、47μF鉭電容，其對(duì)電路性能的影響極小。

　　數(shù)字接口

　　AD7981提供一個(gè)兼容SPI、QSPI和其他數(shù)字主機(jī)的靈活串行數(shù)字接口。該接口既可配置為簡(jiǎn)單的3線模式以實(shí)現(xiàn)最少的輸入/輸出數(shù)，也可配置為4線模式以提供菊花鏈回讀和繁忙指示選項(xiàng)。4線模式還支持CNV(轉(zhuǎn)換輸入)的獨(dú)立回讀時(shí)序，使得多個(gè)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)同步采樣。

　　本參考設(shè)計(jì)使用的PMOD接口實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的3線模式，SDI接高電平VIO.VIO電壓是由SDP-PMOD轉(zhuǎn)接板從外部提供。

　　電源

　　本參考設(shè)計(jì)的+5 V和?2.5 V供電軌需要外部低噪聲電源。AD7981是低功耗器件，可由基準(zhǔn)電壓緩沖器直接供電，如圖5所示，因而無(wú)需額外的供電軌，節(jié)省功耗和板空間。

　　圖5.從基準(zhǔn)電壓緩沖器為ADC基準(zhǔn)電壓源供電

　　IC封裝和可靠性

　　ADI公司高溫系列中的器件要經(jīng)歷特殊的工藝流程，包括設(shè)計(jì)、特性測(cè)試、可靠性認(rèn)證和生產(chǎn)測(cè)試。專門針對(duì)極端溫度設(shè)計(jì)特殊封裝是該流程的一部分。本電路中的175°C塑料封裝采用一種特殊材料。

　　耐高溫封裝的一個(gè)主要失效機(jī)制是焊線與焊墊界面失效，尤其是金(Au)和鋁(Al)混合時(shí)(塑料封裝通常如此)。高溫會(huì)加速AuAl金屬間化合物的生長(zhǎng)。正是這些金屬間化合物引起焊接失效，如易脆焊接和空洞等，這些故障可能在幾百小時(shí)之后就會(huì)發(fā)生，如圖6所示。

　　圖6. 195°C時(shí)500小時(shí)后鋁墊上的金球焊

　　為了避免失效，ADI公司利用焊盤金屬化(OPM)工藝產(chǎn)生一個(gè)金焊墊表面以供金焊線連接。這種單金屬系統(tǒng)不會(huì)形成金屬間化合物，經(jīng)過(guò)195°C、6000小時(shí)的浸泡式認(rèn)證測(cè)試，已被證明非?？煽浚鐖D7所示。

　　圖7. 195°C時(shí)6000小時(shí)后OPM墊上的金球焊

　　雖然ADI公司已證明焊接在195°C時(shí)仍然可靠，但受限于塑封材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，塑料封裝的額定最高工作溫度僅為175°C.

　　除了本電路所用的額定175°C產(chǎn)品，還有采用陶瓷FLATPACK封裝的額定210°C型號(hào)可用。同時(shí)有已知良品裸片(KGD)可供需要定制封裝的系統(tǒng)使用。

　　對(duì)于高溫產(chǎn)品，ADI公司有一套全面的可靠性認(rèn)證計(jì)劃，包括器件在最高工作溫度下偏置的高溫工作壽命(HTOL)。數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定，高溫產(chǎn)品在最高額定溫度下最少可工作1000小時(shí)。全面生產(chǎn)測(cè)試是保證每個(gè)器件性能的最后一步。ADI高溫系列中的每個(gè)器件都在高溫下進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試，確保達(dá)到性能要求。

　　無(wú)源元件

　　必須選擇耐高溫的無(wú)源元件。本設(shè)計(jì)使用175°C以上的薄膜型低TCR電阻。COG/NPO電容用于低值濾波器和去耦應(yīng)用，其溫度系數(shù)非常平坦。耐高溫鉭電容有比陶瓷電容更大的容值，常用于電源濾波。本電路板所用SMA連接器的額定溫度為165°C，因此，在高溫下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，必須將其移除。同樣，0.1“接頭連接器(J2和P3)上的絕緣材料在高溫時(shí)只能持續(xù)較短時(shí)間，因而在長(zhǎng)時(shí)間高溫測(cè)試中也必須予以移除。

　　PCB布局和裝配

　　在本電路的PCB設(shè)計(jì)中，模擬信號(hào)和數(shù)字接口位于ADC的相對(duì)兩側(cè)，IC之下或模擬信號(hào)路徑附近無(wú)開關(guān)信號(hào)。這種設(shè)計(jì)可以最大程度地降低耦合到ADC芯片和輔助模擬信號(hào)鏈中的噪聲。AD7981的所有模擬信號(hào)位于左側(cè)，所有數(shù)字信號(hào)位于右側(cè)，這種引腳排列可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)電壓輸入REF具有動(dòng)態(tài)輸入阻抗，必須用極小的寄生電感去耦，為此須將基準(zhǔn)電壓去耦電容放在盡量靠近REF和GND引腳的地方，并用低阻抗的寬走線連接該引腳。本電路板的元器件故意全都放在正面，以方便從背面加熱進(jìn)行溫度測(cè)試。關(guān)于其他布局布線建議，參見AD7981數(shù)據(jù)手冊(cè)。

　　針對(duì)高溫電路，必須采用特殊電路材料和裝配技術(shù)來(lái)確保可靠性。FR4是PCB疊層常用的材料，但商用FR4的典型玻璃轉(zhuǎn)化溫度約為140°C.超過(guò)140°C時(shí)，PCB便開始破裂、分層，并對(duì)元器件造成壓力。高溫裝配廣泛使用的替代材料是聚酰亞胺，其典型玻璃轉(zhuǎn)化溫度大于240°C.本設(shè)計(jì)使用4層聚酰亞胺PCB.

　　PCB表面也需要注意，特別是配合含錫的焊料使用時(shí)，因?yàn)檫@種焊料易于與銅走線形成金屬間化合物。常常采用鎳金表面處理，其中鎳提供一個(gè)壁壘，金則為接頭焊接提供一個(gè)良好的表面。此外，必須使用高熔點(diǎn)焊料，熔點(diǎn)與系統(tǒng)最高工作溫度之間應(yīng)有合適的裕量。本裝配選擇SAC305無(wú)鉛焊料，其熔點(diǎn)為217°C，相對(duì)于175°C的最高工作溫度有42°C的裕量。